[发明专利]基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置

说明书

本发明提供一种基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，包括两个由柔性平板折叠成连续的W形结构的基板，两个柔性基板相互穿插，使得两个基板的折痕相互垂直，形成一个弹簧状结构。基板两侧都布有一层介电材料层。同一块基板两侧的介电材料的极性相同，不同基板的介电材料极性相反。在振动下，整体结构先成合拢趋势，此时相邻的不同基板上的介电材料层接触，产生摩擦电荷；在弹性结构恢复的过程中，摩擦电荷产生感应电场，并由相邻的不同基板上的金属导体层之间发生电荷移动，从而产生电能。该装置无需使用燃料能源，仅凭借装置本身就能将振动机械能转化为电能，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置，且能够在很宽的频率范围内工作。

技术领域

本发明涉及用于一种基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，主要用于振动能量的采集。

技术背景

振动是一种我们日常生活中最常见的机械运动，它存在于人体运动、公共汽车行驶、桥梁振动，等等。从环境中的机械振动采集能量来给电子器件供电可以广泛应用于健康监测、基础设施的监测以及环境保护和治安监测等。目前振动能的采集主要是基于压电效应、电磁感应效应、静电效应和磁力控制效应，而这些工作模式都需要器件在其共振频率及其很窄的范围内才能有效工作。但是，环境中的振动往往有很宽的频谱分布，甚至很多时候会随着时间的变化而变化，这些因素都会使以前的工作模式不能很好地对环境中的振动能量进行采集。因而，能在低频范围内以及较宽频率范围内有效工作的静电发电装置，有着较好的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，能够用于振动能量的收集，将振动机械能转化为电能，同时还具备能量转化效率高、应用范围广的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，由第一柔性基板和第二柔性基板组成，两个基板均是由柔性平板折叠成连续的W形结构，两个柔性基板相互穿插，使得两个基板的折痕相互垂直，形成一个弹簧状结构。两个柔性基板的两面均具有介电材料层，同一基板上的两面介电材料极性相同，两个基板上的介电材料极性相反；整体结构中，任意两个相对的面组成一个发电单元，所述的介电材料层与基板之间具有一金属电极层。折纸弹簧结构在振动时被压缩或拉伸，当被压缩时，任意两个相对的面接触，该发电单元分别在两个面上产生摩擦电荷；在弹性结构恢复的过程中，摩擦电荷产生感应电场，形成电势差。

进一步地，所述基板可以由橡胶板制成。

进一步地，还包括一壳体，用于约束折纸弹簧结构的运动方向，使之只发生伸缩运动。

进一步地，所述接触式摩擦发电能量收集装置还包括电能输送电路，输送电路包括电线与蓄电装置，各个静电发电单元通过金属电极层实现串联或并联，串并联后通过电线与蓄电装置相连。

本发明的有益效果是：本发明通过将两个具有连续的W形结构的柔性基板穿插，形成类似于纸弹簧的结构。通过该方法巧妙地提高了TENG的有效面积，增大电流输出的能力，同时又极大地提高了空间利用率。该装置将环境动荷载引起的振动能量转化为电能，经过该装置中的电能输送电路和蓄电装置将电能利用起来。该装置无需使用燃料能源，仅凭借装置本身就能将振动机械能转化为电能，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置，且能够在很宽的频率范围内工作。

附图说明

图1是静电发电装置的摩擦发电单元的示意图；

图2是多个发电单元的集成结构图和实物图。

图3是振动条件下摩擦发电单元初始运动状态示意图。

图4是振动条件下摩擦发电单元的介电材料层完全接触时的运动状态示意图。

图中标号：1-介电材料层；2-金属电极层；3-介电材料层；4-基板；介电材料层1和3极性相反。